BepiColombo, l’histoire d’une mission très ambitieuse


Mercure. La planète la plus proche du Soleil. Cette dernière nous est encore très mystérieuse. Seules deux sondes spatiales l’ont explorée : Mariner 10 qui l’a survolé trois fois en 1974-75 puis MESSENGER qui s’est mis en orbite polaire de 2011 à 2015. Ces deux missions étaient très innovantes et représentaient des pionnières de l’exploration spatiale. Malheureusement elles n’ont jamais permis d’étudier pleinement Mercure et ce pour plusieurs raisons. Pour Mariner 10 c’est la résonance spin-orbite 3:2 qui posa problème. Cette résonance signifie que la planète réalise trois rotations sur elle-même quand elle fait deux révolutions autour du Soleil. De par cette résonance, Mariner 10 n’a pu voir éclairées que les mêmes zones de Mercure et n’a donc pas pu cartographier l’entièreté de la planète. Pour MESSENGER ce problème était inexistant puisque la sonde s’était placée en orbite polaire de Mercure et non pas sur une orbite héliocentrique. Cependant, pour éviter de surchauffer, il avait été décidé que la sonde soit sur une orbite très elliptique. Ainsi la chaleur réfléchie et émise par la surface de la planète n’attaquait pas la sonde lorsque cette dernière se trouvait à son apoapside. Cependant, cet apoapside se trouvait plutôt vers le pôle Sud de Mercure, ce qui empêcha MESSENGER de cartographier cette partie de la planète correctement.

Schéma de la première sonde à survoler Mercure : Mariner 10. Crédit : NASA

BepiColombo a été lancée le 20 octobre à 3h45 CEST afin d’aller explorer cette planète encore trop méconnue. Et pour ce faire, la mission n’emporte pas une mais bien deux sondes et pas moins de seize instruments scientifiques pour étudier entièrement Mercure : de l’origine de la planète à l’étude de sa fine atmosphère en passant par des mesures de son champ magnétique et même une étude poussée de l’orbite de la planète permettant d’encore tester la théorie de la Relativité Générale d’Einstein. Cette mission conjointe entre l’ESA, l’agence spatiale européenne, et la JAXA, l’agence d’exploration aérospatiale japonaise, devrait durer au minimum huit ans et pourrait être allonger d’un an. Cependant, sur toute cette durée, il ne faut pas oublier de compter sept ans de voyages pour rejoindre Mercure avec pas moins de neuf assistances gravitationnelles de la Terre, de Venus et de la planète principale en elle-même, Mercure.

L’histoire du projet

Dès le milieu des années 1980, l’ESA envisage d’envoyer une sonde à destination de Mercure pour l’étudier. Dans cette même décennie, la mission Mercury Express (en référence à Vénus Express et Mars Express, deux autres missions d’exploration de l’ESA), plus connue sous le nom de LUGH, Low-cost Unified Geophysics at Hermes (Hermes étant le nom du dieu grec qui est devenu Mercure chez les romains et qui a donc donné son nom à la planète en question), est imaginée. Celle-ci prévoyait le lancement d’un vaisseau-mère qui se chargerait d’emporter deux mini-sondes jusqu’à Mercure. LUGH ne sera cependant pas retenu car ses objectifs se superposent à ceux de MESSENGER, la sonde américaine développée en même temps dans le cadre du programme Discovery.

Vue d’artiste de la sonde américaine MESSENGER en orbite de Mercure. Crédit : NASA

Quelques années plus tard, en 1996, le comité scientifique de l’ESA annonce les prochaines missions lourdes qu’il a choisi pour son programme Horizon 2000+. Celles-ci sont LISA, mesures des ondes gravitationnelles grâce à deux satellites, Gaia, un observatoire spatial qui fournit des données très importantes sur l’ensemble du ciel, et enfin une mission d’exploration de Mercure. L’année qui suit, une étude détaillée de cette dernière mission est réalisée et on en conclut qu’il faudra deux véhicules distincts : un orbiteur stabilisé sur trois axes pour étudier la surface et un orbiteur spinné (en rotation sur lui-même) pour mesurer les champs magnétique et électrique. Ces deux véhicules devront également avoir recours à la propulsion électrique afin d’atteindre la planète. Cette mission européenne doit permettre d’effectuer des études beaucoup plus approfondies que la sonde américaine MESSENGER mais aussi de compléter la cartographie et les relevés topographiques qui doivent être réalisés par cette dernière. En septembre 1999, il est décidé de baptiser cette mission BepiColombo, en l’honneur du scientifique italien Guiseppe « Bepi » Colombo qui a permis aux ingénieurs de la NASA, grâce à ses calculs, de réaliser plusieurs survols de Mercure avec Mariner 10.

Photo de Guiseppe Colombo, le scientifique qui a donné son nom à la mission BepiColombo. Crédit : ESA

Pendant cette même période, de l’autre côté de la Terre, l’Institut des sciences spatiales et astronautiques japonais, l’ISAS qui a plus tard donné la JAXA avec deux autres organismes, étudie également la possibilité d’envoyer une sonde à destination de Mercure. Celle-ci doit être lancée par une fusée nipponne H-IIA en 2005 pour arriver sur son lieu d’étude en 2008 où elle serait mise sur orbite polaire elliptique. Le but de cette sonde est d’étudier les champs magnétique et électrique ainsi que les particules du vent solaire. Au tout début du XXIème siècle, les projets européens et japonais fusionnent et il est décidé que l’ISAS développera l’orbiteur spinné de BepiColombo : La mission n’est plus simplement internationale, elle devient intercontinentale !

L’orbiteur japonais MMO en cours de fabrication au Japon. Crédit : JAXA

Dans les plans initiaux de BepiColombo, un atterrisseur était présent. Celui-ci, nommé Mercury Surface Element, MSE, devait se poser au niveau des régions polaires, non loin du terminateur (séparation entre la nuit et le jour sur un corps céleste) afin de limiter les contraintes thermiques. Il devait peser 44kg pour un diamètre de 90cm et une masse d’instruments scientifiques de 7kg dont des caméras de descente et de surface, un spectromètre à rayons X, un magnétomètre, un sismomètre et plusieurs autres instruments destinés à des mesures sur les propriétés thermiques et mécaniques du sol. Certains de ces derniers nécessitent un dispositif d’ancrage au sol mais aussi un moyen de les placer à plusieurs mètres du MSE pour ne pas parasiter les données, par exemple dans le cas du magnétomètre à cause des systèmes électriques du robot. A cause de l’atmosphère de la planète beaucoup trop ténue, l’atterrisseur doit recourir à des rétrofusées ce qui impacte de manière importante la masse d’ergols à emporter. Ces moteurs doivent amener le MSE à une vitesse nulle à 120m d’altitude avant de déployer une série de coussins gonflables qui doivent le protéger au moment de l’impact à une vitesse maximale de 30m/s. Cette technique sera utilisée quelques années plus tard par la NASA pour faire atterrir son rover Opportunity à la surface de Mars. L’atterrisseur MSE doit posséder une batterie de 1,7kWh afin de l’alimenter en électricité pendant sa mission de sept jours. Au final, la complexité d’un tel atterrisseur, les contraintes thermiques à la surface, les limites de masse de BepiColombo et les limites budgétaires de l’ESA à la suite des restrictions en 2003 contraignent à l’abandon du MSE.

Modèle 3D du projet d’atterrisseur MSE, plus tard abandonné. Crédit : ESA

Vient ensuite le temps de choisir le lanceur pour cette mission. Deux scénarios sont envisagés : Un premier qui vise à envoyer les deux sondes indépendamment grâce à deux lanceurs Soyuz qui décolleraient depuis Baïkonour, et un second, plus simple techniquement mais plus coûteux, dans lequel les deux sondes sont envoyées ensemble à bord d’une Ariane 5 tirée depuis Kourou. Avec le développement d’une nouvelle version de l’étage supérieur Fregat du lanceur Soyuz ainsi que la construction d’un pas de tir pour ce dernier en Guyane, ce qui augmentera ses performances grâce à l’effet de fronde, il est décidé de lancer les deux sondes à bord d’un Soyuz qui décollera depuis Kourou en 2013 afin d’arriver en orbite de Mercure en 2019. Initialement, BepiColombo est conçue pour tenir dans la coiffe du lanceur russe mais aussi pour ne pas dépasser 80% de la masse de charge utile maximale que peut mettre sur orbite ce dernier. Cependant, au fur et à mesure de l’avancée du projet, cette masse augmente dangereusement et le projet frôle l’annulation en 2008. Au final, il est décidé de tirer BepiColombo à bord d’une Ariane 5, ce qui augmente le coût du projet de 120 millions d’euros mais qui permet une charge utile bien plus lourde. En décembre 2009, le Comité du programme scientifique de l’ESA approuve la reconfiguration et un contrat avec Arianespace est signé en septembre 2011.

Photo du pas de tir de Soyuz à Kourou. Crédit : ESA

En 2007, l’ESA choisit Astrium Allemagne (devenu depuis Airbus Defence and Space) ainsi que Thales Alenia Space Italie pour le développement de la sonde européenne MPO (Mercury Planetary Orbiter) et de l’étage de transfert MTM (Mercury Transfer Module). Des études poussées montrent que les panneaux solaires ne pourront pas faire face à l’afflux thermique qu’ils vont subir : il faut fortement accroître leur surface ce qui fait monter la masse de la sonde à 4t et qui conforte le changement de lanceur pour passer de Soyuz à Ariane 5. Malgré un coût qui atteint 970 millions d’euros, l’ESA décide de continuer le projet. Plusieurs retards à la suite de problèmes principalement lors du développement du système complexe de propulsion solaire-électrique repoussent le lancement de la mission de 2014 à octobre 2018.

L’orbiteur MPO et l’étage de transfert MTM pendant un test dans le simulateur spatial. Crédit : ESA

En août 2011, Thales Alenia Space fournit à l’ESTEC, le Centre européen de technologie spatiale, un modèle thermique du MPO. Dès septembre de la même année des tests sur ce modèle débutent dans le LSS (Large Space Simulator, une grande chambre à vide permettant de recréer les conditions de l’espace) afin de vérifier la résistance de l’engin à des erreurs d’orientation dans des régions proches du Soleil. En décembre 2011 c’est au tour du Japon de livrer un modèle thermique de l’orbiteur spinné MMO (Mercury Magnetospheric Orbiter) à l’ESTEC qui subira les mêmes tests. Six mois plus tard, on commence les mesures de répartition des masses de la sonde entièrement assemblée. L’usine de Turin de Thales Alenia Space achève l’assemblage du modèle de BepiColombo qui servira aux qualifications finales et au vol en juillet 2014. Les modules sont ensuite livrés à l’ESTEC durant l’été 2015 pour y réaliser les tests finaux et s’assurer que ceux-ci n’auront pas de problèmes une fois dans l’espace. Et heureusement que ces tests ont été faits ! En effet, un problème majeur a été détecté dans un boîtier de régulation électrique du MTM. Cette défaillance a causé un des reports de lancement et a poussé les sondes à n’arriver vers Mercure qu’en décembre 2025. Pendant l’été 2017, les tous derniers tests sont réalisés à l’ESTEC en configuration de vol pour le trajet jusqu’à Mercure mais aussi après séparation des différents modules. Les quatre pièces formant BepiColombo ont ensuite été livrées à Kourou pour y être assemblées et intégrées à leur lanceur Ariane 5. Au final, le coût total du projet pour l’ESA et la JAXA s’élève à 1,65 milliards d’euros. Si vous pensez que ces dépenses sont bien trop grandes et inutiles, dites-vous que ce projet aurait pu être financé instantanément si chaque personne résidant en Union Européenne et au Japon donnait 2,60€. En comparaison, la France dépense l’équivalent de 861€ par habitant pour la défense chaque année.

Modèle de BepiColombo utilisé pour les tests thermiques. Celui-ci est aujourd’hui exposé au Science Museum de Londres. Crédits : @therogue_astro avec son accord

Déroulement de la mission

La mission BepiColombo est une des plus ambitieuses de l’histoire : près de sept ans de voyages et pas moins de neuf assistances gravitationnelles pour atteindre la planète aux conditions orbitales les plus rudes, Mercure. Ainsi, le 20 octobre 2018, à 3h45 CEST, une Ariane 5 décolle depuis le Centre Spatiale Guyanais à Kourou. Cette Ariane 5, c’est celle qui emporte BepiColombo dans sa coiffe. Deux minutes plus tard, les deux gigantesques étages d’accélération à poudre (EAP) sont vides et sont donc largués. A T+3 minutes du lancement, c’est au tour de la coiffe de devenir inutile et d’être larguée : pour la première fois, BepiColombo est en contact direct avec le vide de l’espace. Six minutes après cet évènement, l’étage principal cryogénique (EPC), vide, est séparé et c’est l’étage secondaire cryogénique (ESC-A) qui prend le relai sur la propulsion. A T+27 minutes, BepiColombo a atteint la trajectoire visée : Il est sur une trajectoire hyperbolique pour quitter la Terre avec 3km/s de supplément par rapport à la vitesse de libération de cette dernière. Moins d’un quart d’heure plus tard, l’antenne de l’ESA à New Norcia en Australie reçoit le signal de BepiColombo : Le lancement s’est déroulé parfaitement !

Décollage de BepiColombo. Crédit : ESA

74 minutes après le lancement, les deux gigantesques panneaux solaires du module de transfert (MTM) ainsi que le panneau de l’orbiteur européen (MPO) sont déployés. Une photo prise par une caméra positionnée sur le MTM et reçue 12h après le décollage viendra confirmer ce déploiement. Deux autres caméras apportent, de la même manière, des preuves visuelles du bon déploiement de l’antenne haut-gain du MPO ainsi que de son mât à expériences. L’antenne s’est déployée 29h30 après le décollage tandis que le mât a attendu 18h pour s’ouvrir. Enfin, trois jours après le décollage, les sous-systèmes du vaisseau et les instruments reçoivent une dernière vérification avant de démarrer la longue phase de croisière. A partir de ce moment, BepiColombo a déjà dépassé l’orbite lunaire depuis plus d’un jour et approche de sortir de la sphère d’influence terrestre : Cette sphère représente le lieu où la gravité terrestre est majoritaire sur celle de tout autre corps.

Les trois photos qui ont permis de confirmer le bon déploiement des panneaux solaires du MTM et de l’antenne grand gain et du mât du MPO. Crédit : ESA

Deux mois plus tard, le système de propulsion MEPS sera allumé pour la première fois. Les moteurs ioniques, en fonctionnement, vont ioniser du xénon pendant un total de 880 jours tout au long de la mission, répartis en plus de 25 phases propulsives. Les assistances gravitationnelles commenceront avec la première le 13 avril 2020 : BepiColombo passera à environ 11 200km de la Terre. Quelques mois plus tard, le 16 octobre 2020, ce sera au tour de Vénus de recevoir une visite de la sonde à moins de 11 000km d’altitude. Le 11 août 2021, BepiColombo passera à nouveau proche de cette planète mais cette fois à une distance de seulement 1 000km. S’en suivront ensuite six assistances de Mercure afin de modifier suffisamment l’orbite de BepiColombo pour minimiser le coût en carburant de l’insertion en orbite. Ces survols auront lieu le 2 octobre 2021 à 200km, le 23 juin 2022 à 200km, le 20 juin 2023 à 200km, le 5 septembre 2024 à 200km, le 2 décembre 2024 à 40 000km et enfin le 9 janvier 2025 à 345km.

A partir de cette dernière date, BepiColombo sera sur une trajectoire quasiment identique à celle de Mercure. Il ne suffira plus que d’une petite impulsion des moteurs chimiques du MPO pour se placer en orbite polaire autour de la planète. Mais avant cette insertion, l’étage de transfert MTM sera largué car devenu inutile, début octobre 2025. Le 5 décembre de la même année, les moteurs à propulsion liquide de l’orbiteur européen MPO seront allumés afin de se placer sur une orbite haute très elliptique (674km par 178 000km). Cette insertion sera réalisée à l’aide d’une méthode connue sous le nom anglais de « weak stability boundary capture ». Cette méthode consiste à faire arriver son vaisseau en bordure de la sphère gravitationnelle (au niveau des points de Lagrange Mercure-Soleil L1 ou L2) pour se faire capturer en douceur par le corps, en l’occurrence Mercure.

Schéma simpliste du principe du « Weak Stability Boundary Capture ». Crédit : Aurélien Genin

Une fois cette première insertion orbitale réalisée, le MPO allumera à cinq reprises ses propulseurs afin de diminuer l’altitude de son apoapside pour atteindre une orbite polaire de 590km par 11 640km : l’orbite du MMO, la sonde japonaise. Cette dernière sera larguée peu de temps après mais cette séparation est soumise à certaines contraintes techniques : Coupure de signal en cas d’opposition Terre-Mercure, impossibilité de réaliser des manœuvres dans une zone de plus ou moins 60° du périhélie pour éviter les surchauffes non prévues et enfin des éclipses pouvant impacter l’alimentation énergétique du MMO. Une fois le MMO largué, la jupe de protection MOSIF sera séparée elle aussi, devenue inutile. L’orbiteur MPO réalisera enfin une série de dix propulsions afin de se placer sur son orbite finale : 480km par 1500km. Au total la phase d’insertion en orbite aura duré trois mois auquel il faut rajouter un mois de mise en service de la sonde européenne.

Récapitulatif des différentes séparations entre les morceaux de BepiColombo à l’arrivée de Mercure. Crédit : ESA

La phase d’exploration de Mercure commence donc vers le début 2026 et doit durer une année terrestre pendant laquelle Mercure aura effectué quatre révolutions autour du Soleil. Il est cependant prévu d’étendre cette phase d’une année supplémentaire si les équipements fonctionnent toujours. Au total, le voyage jusqu’à Mercure aura duré plus de sept ans pour une distance parcoure de neuf milliards de km et plus de 18 orbites solaires réalisées. BepiColombo atteindra une vitesse de pointe de 60km/s ce qui rendent ridicule les 7,7km/s de l’ISS en orbite terrestre. De par les 240 millions de km qui pourront séparer BepiColombo de la Terre, un signal pourrait mettre plus de 13min pour réaliser un simple voyage aller entre les antennes au sol et les antennes des sondes.

Pour en apprendre plus sur les aspects techniques de la mission ainsi que sur tous les instruments qu’elle emporte, vous n’avez qu’à aller lire ce second article qui entre bien plus dans les détails des vaisseaux.

Si vous voulez voir plein de magnifiques images de la mission, que ce soit du décollage, de sa fabrication ou même plus tard, celles prises prise par les sondes, allez voir la galerie de l’ESA.

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Passionné d’ingénierie et d’aérospatiale.
Rédacteur actu spatiale officiel de KSC.